プロピレンとアセトンの代謝における特異なカルボキシル化反応への洞察

Insights into the unique carboxylation reactions in the metabolism of propylene and acetone.

• Florence Mus
• Hsin-Hua Wu
• Alexander B Alleman
• Krista A Shisler
• Oleg A Zadvornyy
• Brian Bothner
• Jennifer L Dubois
• John W Peters

抄録

アルケン類とケトン類は、自然環境の中で、いくつかの生物学的および人為的プロセスで生成される、ユビキタスで有毒な有機化合物の2つのクラスです。その毒性にもかかわらず、これらの化合物は一次炭素およびエネルギー源として利用されるか、または多くの多様な細菌によって他の化合物の代謝において中間代謝物として生成される。これらの化合物の中で最も小さく揮発性の高いもの（プロピレン、アセトン、イソプロパノール）の好気性代謝には、新規のカルボキシル化反応が関与しており、その結果、共通の生成物であるアセトアセテートが生成されます。プロピレンは 5 つの酵素を含む 4 段階の経路で代謝されますが、最後の段階は、チオエーテル結合の還元的切断とカルボキシル化を組み合わせてアセトアセテートを生成するユニークなジスルフィドオキシドレダクターゼによって触媒されるカルボキシル化反応です。イソプロパノールのカルボキシル化は、アルコール脱水素酵素を介したアセトンへの変換から始まります。アセトンは、アセトンと重炭酸塩の両方の活性化にMgATPの加水分解をカップリングするアセトンカルボキシラーゼによって単一のステップでアセトアセテートに変換され、活性部位を含むMn2+でアセトアセテートに凝縮される非常に反応性の高い中間体を生成します。アセト酢酸はその後、アセチルコエンザイムAに容易に変換され、バイオマスに変換されたり、トリカルボン酸サイクルを介してエネルギー代謝に利用されたりする中枢代謝に利用される。本レビューでは、この2つのユニークなカルボキシル化酵素のメカニズムについて、最近の構造および生化学的知見をまとめています。

Alkenes and ketones are two classes of ubiquitous, toxic organic compounds in natural environments produced in several biological and anthropogenic processes. In spite of their toxicity, these compounds are utilized as primary carbon and energy sources or are generated as intermediate metabolites in the metabolism of other compounds by many diverse bacteria. The aerobic metabolism of some of the smallest and most volatile of these compounds (propylene, acetone, isopropanol) involves novel carboxylation reactions resulting in a common product acetoacetate. Propylene is metabolized in a four-step pathway involving five enzymes where the penultimate step is a carboxylation reaction catalyzed by a unique disulfide oxidoreductase that couples reductive cleavage of a thioether linkage with carboxylation to produce acetoacetate. The carboxylation of isopropanol begins with conversion to acetone via an alcohol dehydrogenase. Acetone is converted to acetoacetate in a single step by an acetone carboxylase which couples the hydrolysis of MgATP to the activation of both acetone and bicarbonate, generating highly reactive intermediates that are condensed into acetoacetate at a Mn2+ containing the active site. Acetoacetate is then utilized in central metabolism where it is readily converted to acetyl-coenzyme A and subsequently converted into biomass or utilized in energy metabolism via the tricarboxylic acid cycle. This review summarizes recent structural and biochemical findings that have contributed significant insights into the mechanism of these two unique carboxylating enzymes.

© 2020 The Author(s). Published by Portland Press Limited on behalf of the Biochemical Society.